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霍金生前最后一篇论文发表:宇宙整体上是平滑有限的

2018年05月03日 08:06 来源:澎湃新闻 参与互动 

  北京时间5月3日早晨7时,已故英国物理学家史蒂芬·霍金在去世前10天最后修改过的一篇论文在《高能物理杂志》(Journal of High Energy Physics)上发表。这是《时间简史》作者给出的最后一项关于宇宙起源的理论。

  该理论曾在2017年7月在剑桥大学的一次会议上首次亮相,以纪念霍金的75岁生日。比利时鲁汶大学理论物理学教授赫托格(Thomas Hertog)是论文的合著者。他们基于弦理论进行了大量复杂的数学计算,得出所谓的多元宇宙是有限的。

“如果我们成功的话,这个飞掠任务将会在发射后二十年左右到达半人马座阿尔发星,并发送回来在那个星系中发现的行星的图片,”霍金称。
资料图:霍金。

  宇宙暴胀理论认为,在大爆炸后的极短时间内,时空进行了指数级的膨胀。一些科学家们继而推论,在整体上宇宙会永恒地膨胀,只在一小部分区域停下来,不断形成无限多气泡般的宇宙。人类的可见宇宙就是不断膨胀的时空中的其中一个“泡泡”。

  霍金曾在去年秋天接受采访时说道:“常规的永恒膨胀理论预测宇宙是一个无限的分形,在膨胀的海洋中,镶嵌着不同的口袋宇宙。”

  人类所处的这个“泡泡”中的物理法则,比如光速是300000km/s,无法适用到其他“泡泡”里。这些迥异的小宇宙,共同构成一个多元宇宙。

  “我从来就不喜欢多元宇宙这个概念。如果多元宇宙中的不同宇宙是无限的,那这个理论就无法得到验证。”霍金却说道。

当地时间4月12日,美国纽约,物理学家史蒂芬·霍金联合互联网投资人尤里·米尔纳(Yuri Milner)宣布启动一个新的1亿美元项目,以更好地了解宇宙。该项目的目标是开发数千个邮票大小的纳米小型太空飞船,飞往我们最近的星系,并发回照片。
资料图:当地时间4月12日,美国纽约,物理学家史蒂芬·霍金联合互联网投资人尤里·米尔纳(Yuri Milner)宣布启动一个新的1亿美元项目,以更好地了解宇宙。该项目的目标是开发数千个邮票大小的纳米小型太空飞船,飞往我们最近的星系,并发回照片。

  在最后的论文中,霍金和赫托格提出多元宇宙论推出的这种叙事是错误的,或者用论文标题的比喻来说,“给永恒膨胀找到一个平滑的出口”。“我们预测宇宙在整体上是平滑而有限的。这不是个无限的分形结构。”霍金关于论文说道。

  这个平滑的出口是如何找到的呢?赫托格解释道,传统的永恒膨胀理论假定宇宙整体背景依据爱因斯坦的广义相对论演化,量子效应在此基础上提供了一些涨落。然而,永恒膨胀的内在动力消除了经典力学和量子力学的分割,相对论由此崩溃。

  霍金和赫托格利用弦理论统一相对论和量子力学,从而重新计算永恒膨胀问题。弦理论是一种支试图将四种相互作用力统一起来的理论,认为自然界的基本单元是微小的“弦”,弦在振动和运动过程中产生基本粒子。

  具体来讲,他们借用了弦理论中的“全息”概念:整个宇宙是一张巨大而复杂的全息图,三维空间中的物理现实在数学上可以简化投影到二维平面上。

  霍金和赫托格发展出了“全息”概念的一个分支,将永恒膨胀理论中的时间维度投射出来,从而摆脱对爱因斯坦理论的依赖。在这个模型中,永恒膨胀被简化为时空起点上的一张空间曲面。

  霍金此前提出的宇宙“无边界条件”预测如果回溯到宇宙开始时,宇宙会像半球一样闭合。但这篇论文给出了不同的结果:当回溯到某个节点,就会到达永恒膨胀的门槛。过了那个门槛,人类熟知的时间概念会失去意义。

  “现在我们要发现在过去还是有边界的。”赫托格说道。

  霍金和赫托格用这种新方法计算出了永恒膨胀理论的一个平滑出口,导向有限的宇宙,比此前的永恒膨胀理论建构的无限分形结构简洁得多。

  “我们没有减少到一个唯一的宇宙,但我们的结果还是大大简化了多元宇宙,可能存在的宇宙的范围要小得多。”赫托格说道。这也增加了理论的可验证性。

当地时间3月14日,印度普里海滩,沙雕艺术家苏德桑·帕特奈克制作霍金的沙雕,悼念其逝世。当日英国著名物理学家斯蒂芬·霍金去世,享年76岁。
当地时间3月14日,印度普里海滩,沙雕艺术家苏德桑·帕特奈克制作霍金的沙雕,悼念其逝世。当日英国著名物理学家斯蒂芬·霍金去世,享年76岁。

  2018年3月4日是这篇论文显示的最后修改时间。10天后,霍金逝世。

  赫托格仍会在论文基础上继续探索。他认为,新理论缩小后的尺度可能在人类太空望远镜的观测范围之内。尤其是原初引力波——这种在永恒膨胀的“出口”处产生的时间涟漪,可能是验证新模型的最佳证据。随着宇宙的膨胀,原初引力波的波长已经超出了LIGO的探测范围,但未来欧空局的空间引力波探测卫星LISA有望听到这些律动。

  如同他生前的一些成果,霍金提出的最后一项宇宙学理论遭受了质疑。加拿大圆周理论物理研究所的 Neil Turok 教授就表示:“我仍旧很困惑,为什么霍金会觉得这个设想有趣?”

  布法罗大学文理学院教授 Will Kinney也提醒道,霍金和赫托格的论文中没有提出找到多元宇宙的方法。

  无论如何,霍金和赫托格利用“全息投影”,给解决“泡泡”间不相通的问题提供了一种思路。 哈佛大学天体物理学家Avi Loeb说道,新论文用数学来克服这个数学和哲学瓶颈,并对允许在多元宇宙中存在的宇宙类型进行预测。

  宇宙暴胀理论发展至今日,被无数天文观测结果所验证,但仍有一些终极问题留待解答。膨胀如何开始?膨胀的预设启动条件是什么?膨胀如何形成了如今的宇宙?无论过去未来,膨胀都是永恒的吗?

  霍金留下的最后一篇论文,纯理论,纯计算,纯假说;没有观测结果,没有验证对象,没有指明通向平行宇宙的道路。在终极问题之上,它埋下了一颗不知是否能发芽生根的种子。

【编辑:周驰】
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